CN100383496C - 一种适用于井下石油流量测量的超声方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声测流方法及测流装置。一种超声测流装置包括测量端和控制端；所述测量端包括传输短节、电子短节、声系短节；所述声系短节包括：机械骨架、位于所述机械骨架内部并紧贴其内壁的封闭的薄壁筒，在所述薄壁筒的内部两端分别固定第一换能器和第二换能器；所述第一换能器和第二换能器是倾斜放置的。一种超声测流方法，步骤如下：1)将上述超声测流装置置于生产井的套管中央；2)测量声波逆流传输时间t₁和顺流传输时间t₂，计算时间差的绝对值Δt＝|t₁-t₂|；3)由公式

计算流体流速。本发明具有测量精度高、超声波传播距离长，能减小换能器对流场稳定性的影响，能避免油污粘附在换能器表面等优点。

Description

一种适用于井下石油流量测量的超声方法及测量装置

技术领域

本发明涉及一种测流方法及测流装置，特别涉及一种适用于井下石油流量测量的超声测流方法及测流装置。

背景技术

在井下石油流量测量中，要求测流装置具有较宽的动态范围和很高的测量精度。由于井下原油黏度大，不导电，不能使用传统的涡轮式或电磁式流量计，而超声波流量计是一种可行的选择。超声波流量计通常有三种类型：多普勒超声波流量计、时差法超声波流量计和相差法超声波流量计。多普勒超声波流量计要求被测流体中含有气泡或悬浮粒子；文献1：时差法超声波流量计的几点改进，沈阳工业大学学报，Vol.24，No.2，2004中指出相差法超声波流量计技术尚不成熟且价格昂贵的问题；上述两种方法均不适用于井下石油流量测量。

近几年来，国内外研究机构和石油企业纷纷研究井下时差法超声波流量计，大部分用于配注井注入剖面流量测试，被测流体为水。文献2：聚合物注入剖面超声相位流量计，测井技术，Vol.26，No.5，395-398。公开了通常的井下超声波流量计结构。如图1是传统的超声测流装置的结构示意图，将上换能器101和电子线路部分102装入上机械骨架103，下换能器104装入下机械骨架105，上、下骨架装103和105有换能器的一端分别伸进导流管106的两端并以正对方式置于导流管106内，被测流体从导流管106的进液口107进入，流经两个换能器端口，从出液口108流出；上换能器101的另一端通过电路与上机械骨架103的另一端连接，下换能器104的另一端与下机械骨架105的另一端连接，在上、下机械骨架103和105的外壁上各安装一灯笼状扶正器109和扶正器110，以保证测量装置居于生产井套管中央。

时差法超声波流量计比较适合用于测量石油这种相对均质的流体，并且具有较高的测量精度和动态范围。但传统的井下时差法超声测量装置对待测流场的改变很大，同时当被测流体为黏度较高的油时，换能器表面会有粘附，这些均会影响测流的精度。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的上述不足，提供一种采用倾斜方式放置超声换能器并且测量精度高、超声波传播距离长，能减小换能器对流场稳定性的影响，能避免油污粘附在换能器表面的超声测流方法及测流装置。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种适用于井下石油流量测量的装置，如图2所示，包括测量端1和控制端2，所述测量端1与所述控制端2之间通过电缆连接；

其中，所述测量端1包括：一两端封闭内腔装有信号传输电路的传输短节3，与所述传输短节3相连接的电子短节4，与所述电子短节4相连接的声系短节5；

所述传输短节3包括：第一保护管31和通过第一固定支架32固定于该第一保护管31内部的传输模块33；所述传输模块33的信号传输电缆从所述第一保护管31的两端伸出，并密封该第一保护管31两端；所述传输模块33通过传输电缆连接于控制端2和电子短节4的电路部分43之间。

所述电子短节4包括：第二保护管41和通过第二固定支架42固定于该第二保护管41内部的电路部分43；所述电路部分43的信号传输电缆从所述第二保护管41的两端伸出，并密封该第二保护管41两端；所述电路部分43通过传输电缆与所述传输短节3中的所述传输模块33连接，并且通过电缆与所述声系短节5中的第一换能器54和第二换能器55连接。

所述声系短节5包括：机械骨架51、位于所述机械骨架51内部并紧贴其内壁的封闭的筒52，所述筒52一端由波纹管58封闭，内部充满耦合液体介质59；在所述筒52的内部两端通过第三固定支架53分别固定第一换能器54和第二换能器55；所述第一换能器54和第二换能器55的发射方向与声系轴线60之间倾斜放置，其夹角为θ；所述机械骨架51的侧壁两端在两个换能器的相应位置处开两个窗口56，使得换能器发射的声波能从对应的窗口中射出进入声系短节5外的待测流体，然后经过待测流体所在的管道壁和机械骨架51外壁的反射再被另一个换能器接收。

所述声系短节5还包括设置在机械骨架51外壁两端的扶正器57，用于将声系短节5的声系轴线60与待测流体所在的管道的中心轴方向一致；所述扶正器57为分布在机械骨架51外壁两端的两组等间距分布的垂直于外壁的等长度的四个可压缩的肋片组成；所述扶正器57还可以是分布在机械骨架51外壁两端的两组可压缩的灯笼状支撑结构。

如图4所示，所述电子短节4的电路部分43包括：与声系短节5中的第一换能器54连接的第一前置放大电路80和第一发射电路82；与第二换能器55连接的第二前置放大电路81和第二发射电路83；第一前置放大电路80、第二前置放大电路81与第一选通电路84连接，第一发射电路82和第二发射电路83与第二选通电路85连接；第一选通电路84和第二选通电路85与单片机86连接；第一选通电路84与自动增益控制电路(Automatic Gain Control，简称AGC)87、整形电路88、计数电路89顺序连接，所述计数电路89与单片机86连接；所述单片机86与通讯电路90连接；所述通讯电路90通过电缆与所述传输短节3中的传输模块33连接。

所述第一保护管31、第二保护管41和机械骨架51顺序地通过螺纹连接或通过法兰和螺钉连接。

在上述技术方案中，所述第一保护管31、第二保护管41和机械骨架51采用不锈钢或合金钢材料制作，厚度在2mm-5mm范围；所述波纹管58采用橡胶制作。

所述控制端2由一工控计算机组成。

在上述技术方案中，所述筒52采用不锈钢或合金钢材料制作，厚度为0.2mm～0.5mm；

在上述技术方案中，所述夹角θ的取值范围为45～55度。

在上述技术方案中，所述第一换能器54和第二换能器55之间的直线距离为100mm～500mm；

在上述技术方案中，所述耦合液体介质是硅油，或变压器油；

在上述技术方案中，所述计数电路89和所述通讯电路90均采用集成芯片ispMACH4128ZC。

本发明的超声测流装置的工作过程为：控制端2发出命令，作为测量端1的各部分电路初始化完毕后，单片机86开始采集工作，单片机86首先选择第二选通电路85产生一个窄脉冲，经过整形后触发第一发射电路82产生高压脉冲激励第一换能器54发出超声波，同时单片机86产生的窄脉冲与高频晶振相结合产生信号触发计数电路89开始计数；第一换能器54发出的超声波在介质中传播后由第二换能器55接收并传输给第二前置放大器81放大，经第一选通电路84的放大信号进入自动增益控制电路87得到幅度合适的脉冲信号，再经过整形电路88整形后触发计数电路89停止计数；单片机86读取计数结果后保存在存储器中；单片机86通过同样的控制方式控制两个换能器依次交换发射和接收超声波，多次测量后，根据控制端2的命令将结果经传输模块33传送到控制端2保存起来，供控制端2分析处理、显示或打印。

一种应用上述井下石油流量测量装置进行井下石油流量测量的超声方法，步骤如下：

1.将上述超声测流装置置于生产井的套管中央；

2.由第一换能器54(或第二换能器55)发出声波，由第二换能器55(或第一换能器54)接收声波，测量得声波传输时间t₁；

3.由第二换能器55发出声波，由第一换能器54接收声波，测量得声波传输时间t₂；

4.计算时间差的绝对值Δt＝|t₁-t₂|；

5.由下面公式计算流体流速：

$v=\frac{c^2\mathrm{\Δt}}{2L}$

其中，c是静止流体中的声速，L是两个换能器之间的直线距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)运用超声时差法测流原理，采用倾斜方式放置超声换能器，延长超声波传播距离；

(2)换能器不与被测流场直接接触，减小换能器对流场稳定性的影响；

(3)在计数电路89和通讯电路90中使用高速的在线可编程大规模集成芯片，提高了测量精度；本发明的测量流速范围为1.5-200米/分钟，测量精度为5-10％，流速分辨率为0.5米/分钟。

附图说明

图1是现有技术的超声测流装置结构示意图；

图2是本发明的超声测流装置整体结构示意图；

图3是本发明的倾斜式时差法超声测流原理示意图；

图4是本发明的超声测流装置的电路部分43的电路框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1

参照图2制作一超声测流装置，其中测量端1将用于地下的井中，控制端2处于地面以上，测量端1与控制端2之间通过电缆连接。

为了在深井下工作时，该装置能够承受巨大的压力，第一保护管31、第二保护管41和机械骨架51都由不锈钢板材料制作，厚度为5mm，顺序地通过螺纹连接在一起；第一保护管31长度为500mm，直径45mm；第二保护管41长度为800mm，直径45mm；机械骨架51长度900mm，直径45mm。

传输短节3的传输模块33采用Western Atlas公司的8248E专用传输模块，负责将通讯电路90完成的编码信号加载到传输电缆上。

电子短节4的电路部分43的单片机86采用AT89C52单片机，其它电路均采用常规方法设计，此处不加以限制。

声系短节5中，在机械骨架51内部并紧贴其内壁的封闭的筒52采用不锈钢材料制作，厚度为0.5mm，其中灌注硅油；灌注硅油前，筒52中的真空度要求小于-100KPa；这样是为满足声传播的要求，声衰减比较小，另一方面也保证了一定的机械强度，可以对其中的换能器起到保护作用。为了保证该筒52在外界高压下不变形，其下端通过波纹管58密封：当装置处于井下，待测流体的压力很大，外界压力高于筒52内的压力时，波纹管58会被压缩，使得筒52内外的压力相等；当装置置于地面，外界压力恢复正常状态时，波纹管58会伸展使得筒52内外压力相等。本实施例中，波纹管58采用橡胶材料制成。

筒52的内部两端通过第三固定支架53分别固定第一换能器54和第二换能器55，两个换能器之间的直线距离为500mm；所用的换能器为中国科学院声学研究所研制的中心频率为700kHz的宽带窄脉冲超声PZT换能器，也可以用市场上的相应商用产品代替，如深圳汕头超声仪器厂的相应产品。第一换能器54和第二换能器55的发射方向与声系轴线60之间的夹角为θ＝45°；所述机械骨架51的侧壁两端在两个换能器的相应位置处开两个窗口56，窗口的尺寸大于换能器的发射口径，使得换能器发射的声波能从对应的窗口中出射进入声系短节5外的待测液体；本实施例中窗口为圆形，直径为10cm。

为了将声系短节5置于生产井套管的中央，在机械骨架51外壁两端安装扶正器57；本实施例中，扶正器57由两组等间距分布的垂直于外壁的等长度的四个可压缩的肋片组成。

当被测流体流速很小时，如v≤10mm/s，在井下的特定条件下，声程不会超过1米，这样顺、逆流的时差通常在数纳秒到数十纳秒左右，这对时差的测量精度要求非常高，同时由于测量数据量大，处理过程复杂，要求电路体积小，耐高温，低功耗。为了提高测量精度，减小噪声及电路的体积，提高系统的灵活性，在保证电路工作稳定可靠的基础上，计数电路89和通讯电路90采用车用温度级(结点温度-40至130℃)高速CPLD(Complex Programmable Logic Dvice)器件ispMACH4128ZC，实现计数器功能和复杂逻辑控制，简化系统设计，提高稳定性；其中一片完成计数功能和超声触发控制，其速度性能可以达到168MHz的计数频率，可以提高晶振的频率，减少由于器件本身性能带来的系统测量误差，使误差维持在晶振的一个振荡周期(10ns)内；另一片则完成通讯部分的曼彻斯特编解码，由于IspMACH4128ZC采用TQFP封装，面积只有14mm²，并提供ISP(in-systemprogrammble)功能，这种CPLD器件是首次用于井下仪器；同时采用的锁相环和压控振荡器，利用变频技术提高测时精度。

本实施例的工作过程为：控制端2发出命令，作为测量端1的各部分电路初始化完毕后，单片机86开始采集工作，单片机86首先选择第二选通电路85产生一个窄脉冲，经过整形后触发第一发射电路82产生高压脉冲激励第一换能器54发出超声波，同时单片机86产生的窄脉冲与高频晶振相结合产生信号触发计数电路89开始计数；第一换能器54发出的超声波在介质中传播后由第二换能器55接收并传输给第二前置放大器81放大，经第一选通电路84的放大信号进入自动增益控制电路87得到幅度合适的脉冲信号，再经过整形电路88整形后触发计数电路89停止计数；单片机86读取计数结果后保存在存储器中；单片机86通过同样的控制方式控制两个换能器依次交换发射和接收超声波，经过预先设定的次数的测量后，根据控制端2的命令将结果经传输模块33传送到控制端2保存起来，供控制端2分析处理、显示或打印。

下面结合图3说明本发明的测量原理：确定第一换能器54和第二换能器55的发射方向与声系轴线的夹角θ以及两换能器之间的直线距离，由电子短节4控制其中一个换能器发射和另一个接收超声波信号，超声波斜射穿透声系短节5中的筒52和通过机械骨架51对应处的窗口56并穿透流动液体，经生产井套管壁300反射后，再次穿透流动液体，经机械骨架51反射后，再次穿透流动液体，经生产井套管壁300反射后，再次穿透流动液体，通过另一个换能器对应的窗口56并斜射穿透声系短节5中的筒52由该换能器接收，测量中两个换能器轮流作为发射器和接收器，测量超声波在待测流体中的传播途径为W字型，延长了超声波在待测流体中的传播时间，提高了测量精度；运算出超声波声速在流动液体顺流和逆流两个方向上不同的传播时间，并运用 $v=\frac{c^2\mathrm{\Δt}}{2L}$ 公式，间接获得流动液体的流速；公式中，v是流体流速，c是静止流体中的声速，L是两个换能器之间的直线距离，θ是换能器发射方向和声系轴线60之间的夹角，顺流时间是 $t_1=\frac{L/\cos \mathrm{\θ}}{c+v\·\cos \mathrm{\θ}},$ 逆流时间是 $t_2=\frac{L/\cos \mathrm{\θ}}{c-v\·\cos \mathrm{\θ}},$ $\mathrm{\Δt}=t_2-t_1\≈L\×\frac{2v}{c^2}.$ 因此根据测量得到的两个时间，计算出Δt，就可以得到流速 $v=\frac{c^2\mathrm{\Δt}}{2L}.$

一种应用上述超声测流装置进行超声测流的方法，步骤如下：

1.将上述超声测流装置置于生产井的套管中央；

2.由第一换能器54发出声波，由第二换能器55接收声波，测量得声波传输时间t₁；

3.由第二换能器55发出声波，由第一换能器54接收声波，测量得声波传输时间t₂；

4.计算时间差的绝对值Δt＝|t₁-t₂|；

5.由下面公式计算流体流速：

$v=\frac{c^2\mathrm{\Δt}}{2L}$

其中，c是静止流体中的声速，L是两个换能器之间的直线距离。

实施例2

参照图2制作一超声测流装置。其中，第一换能器54和第二换能器55的发射方向与声系轴线60之间的夹角为θ＝50°；本实施例中的扶正器57是分布在机械骨架51外壁两端的两组可压缩的灯笼状支撑结构。

其它与实施例1相同。

实施例3

参照图2制作一超声测流装置。其中，第一换能器54和第二换能器55的发射方向与声系轴线60之间的夹角为θ＝55°。

其它与实施例1相同。

Claims (9)

1.一种适用于井下石油流量测量的装置，包括一测量端(1)和一控制端(2)，所述测量端(1)与所述控制端(2)之间通过电缆连接；所述测量端(1)包括：一两端封闭的腔体内装有信号传输电路的传输短节(3)、与所述传输短节(3)相连接的一电子短节(4)、和一与所述电子短节(4)相连接的一声系短节(5)；所述控制端(2)由一计算机和数据接口组成；所述传输短节(3)包括：第一保护管(31)和通过第一固定支架(32)固定于该第一保护管(31)内部的传输模块(33)；所述传输模块(33)的信号传输电缆从所述第一保护管(31)的两端伸出，并密封该第一保护管(31)两端；

其特征在于，

所述声系短节(5)包括一密闭的筒(52)，在所述筒(52)内部倾斜固定第一换能器(54)和第二换能器(55)；

其中所述第一保护管(31)用不锈钢或合金钢材料制作，厚度为5mm。

2.根据权利要求1所述的适用于井下石油流量测量的装置，其特征在于，所述电子短节(4)包括；第二保护管(41)和通过第二固定支架(42)固定于该第二保护管(41)内部的电路部分(43)；所述电路部分(43)的信号传输电缆从所述第二保护管(41)的两端伸出，并密封该第二保护管(41)两端；所述电路部分(43)通过传输电缆与所述传输短节(3)中的所述传输模块(33)连接，并且通过电缆与所述声系短节(5)中的第一换能器(54)和第二换能器(55)连接；

其中所述第二保护管(41)用不锈钢或合金钢材料制作，厚度为5mm。

3.根据权利要求1所述的适用于井下石油流量测量的装置，其特征在于，所述筒(52)位于一机械骨架(51)内部并紧贴其内壁；该筒(52)一端由波纹管(58)封闭，内部充满耦合液体介质(59)；所述筒(52)采用不锈钢或合金钢材料制作，厚度为0.2mm～0.5mm；在所述筒(52)的内部两端通过第三固定支架(53)分别固定第一换能器(54)和第二换能器(55)；所述第一换能器(54)和所述第二换能器(55)之间的直线距离为100mm～500mm；所述第一换能器(54)和第二换能器(55)的发射方向与声系轴线(60)之间倾斜放置，其夹角为θ；所述机械骨架(51)的侧壁两端在两个换能器的相应位置处开两个窗口(56)，该机械骨架(51)的厚度为5mm；所述耦合液体介质(59)为硅油。

4.根据权利要求2所述的适用于井下石油流量测量的装置，其特征在于，所述电子短节(4)的电路部分(43)包括：与声系短节(5)中的第一换能器(54)连接的第一前置放大电路(80)和第一发射电路(82)；与第二换能器(55)连接的第二前置放大电路(81)和第二发射电路(83)；第一前置放大电路(80)、第二前置放大电路(81)与第一选通电路(84)连接，第一发射电路(82)和第二发射电路(83)与第二选通电路(85)连接；第一选通电路(84)和第二选通电路(85)与单片机(86)连接；第一选通电路(84)与自动增益控制电路(87)、整形电路(88)、计数电路(89)顺序连接，所述计数电路(89)与单片机(86)连接；所述单片机(86)与通讯电路(90)连接。

5.根据权利要求3所述的适用于井下石油流量测量的装置，其特征在于，还包括设置在机械骨架(51)外壁两端的扶正器(57)，用于将声系短节(5)的声系轴线(60)与待测流体所在的管道的中心轴方向一致；所述扶正器(57)是分布在机械骨架(51)外壁两端的两组等间距分布的垂直于外壁的等长度的四个可压缩的肋片，或是分布在机械骨架(51)外壁两端的两组可压缩的灯笼状支撑结构。

6.根据权利要求3所述的适用于井下石油流量测量的装置，其特征在于，所述波纹管(58)采用橡胶制作。

7.根据权利要求3所述适用于井下石油流量测量的装置，其特征在于，所述夹角θ的取值范围为45～55度。

8.根据权利要求4所述适用于井下石油流量测量的装置，其特征在于，所述计数电路(89)和所述通讯电路(90)采用集成芯片ispMACH4128ZC。

9.一种适用于井下石油流量测量的超声方法，步骤如下：

1)将上述超声测流装置置于生产井的套管中央；

2)由第一换能器(54)发出声波，由第二换能器(55)接收声波，测量得声波传输时间t₁；

3)由第二换能器(55)发出声波，由第一换能器(54)接收声波，测量得声波传输时间t₂；

4)计算时间差的绝对值Δt＝|t₁-t₂|；

5)由下面公式计算流体流速：

$v=\frac{c^2\mathrm{\Δt}}{2L}$

其中，c是静止流体中的声速，L是两个换能器之间的直线距离。

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